KR100371457B1 - Dark current reducing guard ring - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면 포토다이오드(200)가 제공된다. 이 포토다이오드(200)는 광의 통과를 허용하는 절연 영역(202)을 포함한다. 또한, 이 포토다이오드는 제1 전도형의 기판 영역(204)과 제2 전도형의 웰 영역(206)을 포함한다. 웰은 기판(204) 내에서 상기 절연 영역(202) 아래에 형성된다. 상기 웰(206)은 제1면(216)에 의해 기판으로부터 분리된다. 또한, 상기 포토다이오드(200)는 제2 전도형의 고도핑 영역(220)을 포함한다. 상기 고도핑 영역(220)은 제1 위치(222)에서 상기 절연 영역(202) 내에 형성된다. 상기 제1면은 실질적으로 상기 제1 위치(222)에서 상기 고도핑 영역(220)과 만난다.According to the present invention, a photodiode 200 is provided. The photodiode 200 includes an insulating region 202 that allows light to pass through. The photodiode also includes a substrate region 204 of the first conductivity type and a well region 206 of the second conductivity type. Wells are formed below the insulating region 202 in the substrate 204. The well 206 is separated from the substrate by a first surface 216. In addition, the photodiode 200 includes a high conductivity region 220 of a second conductivity type. The doping region 220 is formed in the insulating region 202 at a first position 222. The first surface substantially encounters the high doping region 220 at the first location 222.
Description
촬상 시스템(imaging system)의 핵심 요소는 포착될 이미지를 가진 객체로부터 발생되는 가시광의 입사 광자(photons)들을 검출하기 위해 사용되는 장치인 포토다이오드 검출기이다. 포토다이오드는 그 투명 산화막 절연층(transparent oxide isolation layer)을 통해 P-N 접합을 포함할 수 있는 실리콘 영역 내로 진행하는 입사광에 노출된다. P-N 접합 다이오드가 역바이어스되면, 공핍 영역(depletion region)이 형성되고, 투명 산화막 절연층 내로 촬상되는 가시광의 입사광자들에 반응하여 공핍 영역 내부 및 외부 모두에 전자-정공(electron-hole) 쌍이 생성된다. 광에 의해 생성된 전자-정공 쌍들은 확산 및 드리프트(drift) 메카니즘에 의해 멀리 퍼져 공핍 영역에 모이게 되며, 그에 따라, 포토다이오드가 노출된 이미지 부분을 나타내는 광전류를 유도하게 된다.A key element of an imaging system is a photodiode detector, which is a device used to detect incident photons of visible light generated from an object having an image to be captured. The photodiode is exposed to incident light propagating through its transparent oxide isolation layer into the silicon region, which may include a P-N junction. When the PN junction diode is reverse biased, a depletion region is formed, and electron-hole pairs are generated both inside and outside the depletion region in response to incident photons of visible light captured into the transparent oxide insulating layer. do. The electron-hole pairs generated by light are spread away by diffusion and drift mechanisms to collect in the depletion region, thereby inducing a photocurrent representing the exposed image portion of the photodiode.
포토다이오드의 감도(sensitivity)에 기여하는 중요한 요소는 가능한 한 많은 입사 광자를 포착하는 능력이다. 포토다이오드의 감도는 그 포토다이오드가 어두운(dark) 상태에 있을 때 포토다이오드에서 유도되는 역바이어스 다이오드 누설 전류의 양인 암전류(dark current), 즉, 광에 의해 유도되지 않는 전류에 의해 부분적으로 영향을 받는다. 암전류는 특히 투명 절연층과 공핍 영역 사이의 계면(interface)에서 발생된다. 이러한 암전류는 포토다이오드가 광에 노출되는 것에 반응하여 생성되는 신호에 잡음을 유발한다. 또한, 과도한 암전류는 독출 동적 범위(readout dynamic range)의 감소를 유발할 수 있다. 따라서, 이러한 암전류를 최소화하여, 검출되는 신호에서 잡음을 감소시키고 독출 동적 범위를 보존하기 위한 노력이 이루어졌다.An important factor contributing to the sensitivity of the photodiode is its ability to capture as many incident photons as possible. The sensitivity of a photodiode is partially influenced by the dark current, i.e. the current not induced by light, which is the amount of reverse bias diode leakage current induced in the photodiode when the photodiode is in the dark state. Receive. Dark currents are particularly generated at the interface between the transparent insulating layer and the depletion region. This dark current causes noise in the signal generated in response to the photodiode being exposed to light. In addition, excessive dark current can cause a reduction in readout dynamic range. Thus, efforts have been made to minimize this dark current to reduce noise in the detected signal and preserve the read dynamic range.
포토다이오드의 공핍 영역과 투명 절연 영역 사이의 계면에서 발생되는 암전류의 양을 감소시키는 것이 바람직하다.It is desirable to reduce the amount of dark current generated at the interface between the depletion region and the transparent insulating region of the photodiode.
본 발명은 일반적으로 광검출(photo detecting) 반도체 구조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 현대 기술수준의 CMOS(complimentary metal oxide) 제조 공정을 이용하여 구축된 포토다이오드에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to photodetecting semiconductor structures. In particular, the present invention relates to photodiodes constructed using modern technology-level complimentary metal oxide (CMOS) fabrication processes.
본 발명의 특징, 관점 및 장점은 다음의 상세한 설명, 첨부된 청구범위 및 첨부도면으로부터 명백해질 것이다.The features, aspects and advantages of the invention will be apparent from the following detailed description, the appended claims and the accompanying drawings.
도1은 본 발명에 따른 포토다이오드의 일실시예의 단면도.1 is a cross-sectional view of one embodiment of a photodiode according to the present invention.
도2는 본 발명에 따른 가드링을 구비한 포토다이오드의 일실시예의 단면도.2 is a cross-sectional view of one embodiment of a photodiode with a guard ring in accordance with the present invention.
도3a 및 도3b는 상이한 폭의 가드링을 각각 구비한 본 발명에 따른 포토다이오드의 2가지 실시예의 단면도.3A and 3B are cross-sectional views of two embodiments of photodiodes according to the present invention, each having guard rings of different widths;
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 포토다이오드의 제1 및 제2 실시예를 도시한 도면.4a and 4b show a first and second embodiment of a photodiode according to the invention;
도5a는 금속 콘택이 접속되어 있는 본 발명에 따른 포토다이오드의 일실시예의 단면도.5A is a cross-sectional view of one embodiment of a photodiode according to the present invention with metal contacts connected thereto.
도5b는 본 발명에 따른 CMOS 포토다이오드의 예시적인 레이아웃을 도시한 도면.5B illustrates an exemplary layout of a CMOS photodiode in accordance with the present invention.
도6은 본 발명에 따른 포토다이오드의 일실시예를 포함하는 포토 셀 회로의 가능한 구현예를 도시한 도면.Figure 6 shows a possible implementation of a photo cell circuit comprising one embodiment of a photodiode according to the invention.
발명의 요약Summary of the Invention
본 발명에 따르면, 포토다이오드가 제공된다. 이 포토다이오드는 광의 통과를 허용하는 절연 영역(IR)을 포함한다. 또한, 이 포토다이오드는 제1 전도형의 기판 영역과 제2 전도형의 웰 영역을 포함한다. 웰은 기판 내에서 상기 IR 아래에 형성된다. 상기 웰은 제1면에 의해 기판으로부터 분리된다. 또한, 상기 포토다이오드는 제2 전도형의 고도핑 영역(HDR)을 포함한다. 상기 HDR은 제1 위치에서 IR 내에형성된다. 상기 제1면은 실질적으로 상기 제1 위치에서 상기 HDR과 만난다.According to the invention, a photodiode is provided. This photodiode includes an insulating region IR that allows the passage of light. The photodiode also includes a substrate region of a first conductivity type and a well region of a second conductivity type. Wells are formed below the IR in the substrate. The well is separated from the substrate by a first side. The photodiode also includes a high conductivity region HDR of a second conductivity type. The HDR is formed in the IR at the first position. The first face substantially meets the HDR in the first position.
다음의 설명에서는, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 특정 세부사항들이 설명된다. 그러나, 이 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 이들 특정 세부사항 없이도 본 발명이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 몇몇 예에서는, 본 발명을 불필요하게 모호하게 만들지 않기 위해 잘 알려진 회로, 구조 및 기술들은 상세하게 도시되지 않았다.In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, one of ordinary skill in the art will understand that the present invention may be practiced without these specific details. In some instances, well-known circuits, structures and techniques have not been shown in detail in order not to unnecessarily obscure the present invention.
도1은 다이오드 포토 리셉터(diode photo receptor)(100)(이후, 포토다이오드로 언급됨)의 단면도이다. 이 포토다이오드(100)는 반도체 기판(104)을 포함한다. 기판(104)은 그 안에 형성된 N-웰 영역(106)을 갖고 있다. 또한, 포토다이오드(100)는 얕은 트렌치 분리(shallow trench isolation:STI) 영역(102)을 갖고 있다. 기판(104)과 웰(106) 사이에 형성된 P-N 접합이 역바이어스되면, P-기판(104)으로부터 N-웰을 분리하는 면(116) 부근에 공핍 영역(114)이 형성된다.1 is a cross-sectional view of a diode photo receptor 100 (hereinafter referred to as a photodiode). The photodiode 100 includes a semiconductor substrate 104. The substrate 104 has an N-well region 106 formed therein. The photodiode 100 also has a shallow trench isolation (STI) region 102. When the P-N junction formed between the substrate 104 and the well 106 is reverse biased, a depletion region 114 is formed near the face 116 that separates the N-well from the P-substrate 104.
암전류는 특히 STI 영역과 공핍 영역(114) 사이의 계면에서 발생된다. STI(102)가 N-웰(106) 보다 더 넓기 때문에, 공핍 영역(114)과 STI(102) 사이의 계면(124)은 STI(102)의 하부면(118)에 형성된다. 이 STI의 하부면(118)에서 전자-정공 쌍의 생성 및 재결합이 증가되는 것으로 발견되었다. STI의 하부면(118)에서 생성 및 재결합이 증가되는 원인은 STI를 에칭하는 공정에 기인하는 트렌치의 하부면에 존재하는 손상된 영역에 의한 것으로 여겨진다. 이러한 공정은 얕은 접합을 얻기 위해 수행된다. 에칭 공정이 수행된 이후에, 트렌치의 하부에 잔류물, 특히 탄소가 남아있게 된다.Dark current is particularly generated at the interface between the STI region and the depletion region 114. Because the STI 102 is wider than the N-well 106, an interface 124 between the depletion region 114 and the STI 102 is formed on the bottom surface 118 of the STI 102. It has been found that the generation and recombination of electron-hole pairs is increased in the bottom surface 118 of this STI. The cause of increased production and recombination at the bottom surface 118 of the STI is believed to be due to damaged areas present on the bottom surface of the trench due to the process of etching the STI. This process is performed to obtain a shallow bond. After the etching process has been carried out, residues, in particular carbon, remain at the bottom of the trench.
도2는 본 발명에 따른 고도핑 영역(heavily doped region)(220)을 구비한 포토다이오드(200)의 일실시예의 단면도이다. 이 포토다이오드(200)는 마이크로프로세서를 제조하기 위해 설계된 공정과 같은 현대의 실리콘 CMOS 제조 공정을 이용하여 만들어 질 수 있는 CMOS 이미지 센서의 일부분이 될 수 있다. 또한, CMOS 이미지 센서는 이 기술분야에 알려진 CMOS 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부분이 될 수 있다. 또한, CMOS 액티브 픽셀 센서 어레이는 디지털 카메라 또는 비디오 장치와 같은 촬상 시스템과 함께 사용될 수 있다.2 is a cross-sectional view of one embodiment of a photodiode 200 having a highly doped region 220 in accordance with the present invention. The photodiode 200 can be part of a CMOS image sensor that can be made using modern silicon CMOS fabrication processes, such as processes designed to fabricate microprocessors. In addition, the CMOS image sensor can be part of a CMOS active pixel sensor array known in the art. CMOS active pixel sensor arrays may also be used with imaging systems such as digital cameras or video devices.
도1의 포토다이오드의 실시예와 대부분 유사한 포토다이오드(200)는 제1 전도형을 가진 실리콘 기판 영역(204)과 이 실시콘 기판에 형성된 웰 영역(206)을 포함한다. 웰 영역은 제2 전도형을 갖고 있다. 여기에 설명되는 본 발명의 일실시예에서, 기판 영역(204)은 P-형 실리콘 기판을 포함하고, 웰 영역(206)은 N-형 실리콘 웰을 포함한다. 여기에 설명되는 본 발명의 일실시예는 N-형 기판과 P-형 웰을 이용해서 구현될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드의 일실시예에서, 웰(206)은 기판(204)의 이온 주입(ion implantation)에 의해 형성될 수 있으며, 또는 웰을 제조하는 어떤 다른 잘 알려진 공정에 의해 형성될 수 있다.The photodiode 200, which is mostly similar to the embodiment of the photodiode of FIG. 1, includes a silicon substrate region 204 having a first conductivity type and a well region 206 formed in this embodiment substrate. The well region has a second conductivity type. In one embodiment of the invention described herein, the substrate region 204 comprises a P-type silicon substrate and the well region 206 comprises an N-type silicon well. It will be appreciated that one embodiment of the invention described herein may be implemented using an N-type substrate and a P-type well. In one embodiment of a photodiode according to one embodiment of the present invention, the well 206 may be formed by ion implantation of the substrate 204, or in any other well known process of fabricating the well. It can be formed by.
또한, 포토다이오드(200)는 N-웰(206)의 상부에 형성된 전기적 절연 영역(유전체)(202)을 포함한다. 이 유전체 영역은 광에 투명하여 광의 통과를 허용한다. 유전체 영역(202)은 기판의 상부에 있는 얕은 트렌치를 에칭함으로써 형성된다. 다음에, 얕은 트렌치는 산화막(SiO2)으로 채워져 얕은 트렌치 분리(STI) 영역(수평방향에 대해 예각(acute angle)을 이루는 사선으로 도시됨)을 형성한다. 얕은 트렌치 및 이러한 트렌치들을 제조하는 공정은 이 기술분야에 잘 알려져 있다.Photodiode 200 also includes an electrically insulating region (dielectric) 202 formed on top of N-well 206. This dielectric region is transparent to light and allows light to pass through. Dielectric region 202 is formed by etching a shallow trench on top of the substrate. Next, the shallow trenches are filled with an oxide film (SiO 2 ) to form shallow trench isolation (STI) regions (shown with diagonal lines forming an acute angle with respect to the horizontal direction). Shallow trenches and processes for making such trenches are well known in the art.
얕은 트렌치는 N-웰(206)의 폭(수평방향) 보다 더 큰 폭(수평방향)을 갖는다. N-웰(206)은 P-기판(204)으로부터 N-웰(206)을 분리하는 N-웰 면(216)에 의해 경계가 정해진다. N-웰(206)과 P-기판(204)이 역바이어스되면, P-N 접합 근처에 그것을 교차하여(across) 다이오드 공핍 영역이 형성된다. 특히, 다이오드 공핍 영역은 기판(204)으로부터 N-웰(206)을 분리하는 면(제1면)(216) 근처에 그것을 교차하여 형성된다. 포토다이오드에 적당한 역바이어스 전압을 인가한 이후에는, STI로 입사된 투과된 광에 반응하여 다이오드 공핍 영역(214)에 광전류(photo current)가 유도될 수 있다.The shallow trench has a width (horizontal direction) larger than the width (horizontal direction) of the N-well 206. N-well 206 is bounded by N-well face 216 that separates N-well 206 from P-substrate 204. When the N-well 206 and the P-substrate 204 are reverse biased, a diode depletion region is formed near the P-N junction. In particular, a diode depletion region is formed across it near the face (first face) 216 that separates the N-well 206 from the substrate 204. After applying a suitable reverse bias voltage to the photodiode, a photocurrent can be induced in the diode depletion region 214 in response to the transmitted light incident on the STI.
여기에 설명된 본 발명의 포토다이오드(200)의 일실시예는 또한, STI(202) 내에 형성된 고도핑 영역(HDR)(220)(이후, "가드링(guard ring")으로 언급됨)을 포함한다. HDR(220)은 제2 전도형(N형)을 갖고 있으며, 고도핑되기 때문에 HDR(220)은 N+이다. 가드링(220)의 모양은 STI(202)를 두 영역, 즉, 내부 영역(203)과 외부 영역(205)으로 분리하는 모양의 폐루프 형태를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 일실시예에서, STI(202)는 장방형 모양을 갖고, 내부 영역(203)도 장방형 모양을 갖고, 가드링(220)은 이후에 설명되는 도5에 도시된 바와 같이 환상-장방형(annular-rectangular) 모양을 갖는다.One embodiment of the photodiode 200 of the present invention described herein also includes a high doping region (HDR) 220 (hereinafter referred to as a "guard ring") formed in the STI 202. Include. HDR 220 has a second conductivity type (N-type), and because it is highly doped, HDR 220 is N +. The shape of the guard ring 220 may have a closed loop shape that separates the STI 202 into two regions, that is, the inner region 203 and the outer region 205. In one embodiment according to the present invention, the STI 202 has a rectangular shape, the inner region 203 also has a rectangular shape, and the guard ring 220 is annular-rectangular as shown in FIG. 5 described later. has an annular-rectangular shape.
본 발명의 포토다이오드(200)의 일실시예에서, 가드링(220)은 점선(222)에 의해 경계가 정해지는 제1 위치 및 그 주위에서 STI(202)의 일부분을 에칭함으로써 STI(202)에 형성된다. 가드링(220)은 에칭된 부분에 형성된다. 이 가드링(220)은 고도핑된 가드링(220)을 얻기 위해 이온 주입 공정에 의해 처리된다. 제1위치(222)는 기판(204)으로부터 N-웰(206)을 분리하는 면(216)이 STI(202) 내에 가드링(220)이 형성되지 않았더라면 STI(202)의 하부면(218)과 만나게 되는 위치로서 정의될 수 있다. 그러므로, 가드링(220)은 면(216)이 제1 위치에 거의 근접하는 위치에서 가드링의 하부면과 만나게(교차하게) 되도록 형성된다. 가드링(220)은 면(216)이 가드링 상의 중간 위치에서 가드링의 하부면과 교차하게 되도록 STI(202)에 형성되는 것이 바람직하다.In one embodiment of the photodiode 200 of the present invention, the guard ring 220 etches the STI 202 by etching a portion of the STI 202 around and around the first location delimited by the dotted line 222. Is formed. The guard ring 220 is formed in the etched portion. This guard ring 220 is processed by an ion implantation process to obtain a highly doped guard ring 220. The first position 222 is the bottom surface 218 of the STI 202 if the surface 216 separating the N-well 206 from the substrate 204 had no guard ring 220 formed in the STI 202. ) Can be defined as the location encountered. Therefore, the guard ring 220 is formed such that the face 216 meets (intersects) the lower surface of the guard ring at a position close to the first position. The guard ring 220 is preferably formed in the STI 202 such that the face 216 intersects the lower surface of the guard ring at an intermediate position on the guard ring.
제1 위치에 N+ 도핑된 가드링(220)이 존재하기 때문에, 공핍 영역(214)이 STI(202)의 하부면(218)과 마주보는 외부 영역(205)의 측방향 내면(228)에서 STI(202)와 접촉하게 된다. 따라서, 가드링(220)은 공핍 영역(214)이 STI(202)와 접촉하게 되는 경로를 형성한다. STI(202)의 측면(228) 상으로의 공핍 영역(214)의 종단(termination)은 하부면(218) 상으로의 공핍 영역(214)의 종단 보다 더 바람직한데, 그 이유는 측면(228)이 더 깨끗한 것으로 판단되었기 때문이다(즉, STI의 하부면(218) 보다 실리콘 손상이 적으며 잔류물이 적다). 공핍 영역(214)과 면(228) 사이의 계면 영역이 더 깨끗하면, STI와의 공핍 영역의 계면에서 정공 및 전자의 생성 및 재결합이 적어지고, 따라서 암전류의 발생이 적어진다. 또한, 측면(228)에서의 콘택(224)의 면적이 가드링(220)의 도핑과 반비례하기 때문에, 가드링(220)은 공핍 영역(214)이 STI의 하부면(218)과 교차하는 경우 보다 공핍 영역(214)과 STI 사이의 콘택 면적이 더 작아지도록 한다.Since the N + doped guard ring 220 is in the first position, the depletion region 214 is at the STI at the lateral inner surface 228 of the outer region 205 facing the lower surface 218 of the STI 202. 202 is in contact. Thus, the guard ring 220 forms a path through which the depletion region 214 is in contact with the STI 202. Termination of the depletion region 214 onto the side 228 of the STI 202 is more desirable than termination of the depletion region 214 onto the lower surface 218, because the side 228 This was judged to be cleaner (i.e. less silicon damage and less residue than the bottom surface 218 of the STI). If the interface region between the depletion region 214 and the surface 228 is cleaner, less generation and recombination of holes and electrons at the interface of the depletion region with the STI results in less generation of dark current. In addition, because the area of the contact 224 at the side surface 228 is inversely proportional to the doping of the guard ring 220, the guard ring 220 has a case where the depletion region 214 intersects the bottom surface 218 of the STI. This results in a smaller contact area between the depletion region 214 and the STI.
가드링(220)은 공핍 영역을 STI의 하부면으로부터 STI의 측면(228)쪽으로 이동시킨다. 가드링(220)은 P-웰 도핑의 역행에 기인하여 공핍 영역과 STI 사이의 콘택 면적의 감소를 유발하며, P 도핑은 표면 근처에서 더 높아진다. 그러므로, 가드링(220)은 본 발명에 따른 포토다이오드의 일실시예에서의 암전류의 감소에 기여한다.The guard ring 220 moves the depletion region from the bottom surface of the STI toward the side 228 of the STI. The guard ring 220 causes a reduction in the contact area between the depletion region and the STI due to the reversal of P-well doping, with the P doping being higher near the surface. Therefore, the guard ring 220 contributes to the reduction of the dark current in one embodiment of the photodiode according to the present invention.
도3a 및 도3b는 가드링의 폭이 상이한 본 발명에 따른 포토다이오드의 실시예의 부분 단면도를 도시하고 있다. 도3a의 실시예는 도3b에 도시된 실시예의 가드링의 폭(352) 보다 작은 폭(350)을 가진 가드링을 구비한 것으로 도시되어 있다. 더 큰 폭(352)을 가진 가드링(도3b)에 있어서 보다 더 좁은 폭(350)을 가진 가드링(도3a)에 있어서 공핍 영역(314)과 STI의 측면(328) 사이의 계면이 더 크다. 따라서, 가드링이 넓을수록 STI와의 공핍 영역의 계면의 면적이 작아지고, 그 면적 주위에서 생성되는 암전류가 적어진다.3A and 3B show partial cross-sectional views of an embodiment of a photodiode according to the present invention with different widths of the guard rings. The embodiment of FIG. 3A is shown with a guard ring having a width 350 that is smaller than the width 352 of the guard ring of the embodiment shown in FIG. 3B. In the guard ring having a larger width 352 (FIG. 3B) than in the guard ring having a narrower width 350 (FIG. 3A), the interface between the depletion region 314 and the side 328 of the STI is more. Big. Therefore, the wider the guard ring, the smaller the area of the interface of the depletion region with the STI, and the less the dark current generated around the area.
STI의 측면(328)에서의 계면이 더 작아지므로 인해, 비록 더 넓은 가드링이 바람직하지만, 가드링이 넓을수록 광 센싱 면적, 즉, STI의 내부 영역(303)이 작아진다. 따라서, 가드링이 넓을수록 발생되는 암전류는 적어지지만, 보다 작은 광 센싱 면적으로 인해 다이오드의 감도가 감소된다. 그러므로, 소정의 공정에 대해서, 포토다이오드의 감도 및 암전류를 고려하여 최적의 값이 결정될 수 있다.Because of the smaller interface at the side 328 of the STI, although a wider guard ring is preferred, the wider the guard ring, the smaller the light sensing area, i.e., the inner region 303 of the STI. Thus, the wider the guard ring, the less dark current is generated, but the smaller the light sensing area, the lower the sensitivity of the diode. Therefore, for a given process, an optimal value can be determined in consideration of the sensitivity and dark current of the photodiode.
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 포토다이오드의 제1 및 제2 실시예를 도시하고 있다. 도4a의 실시예의 가드링은 전술한 실시예의 가드링과 거의 유사하다. 도4b의 실시예는 내부 영역(405)과 외부 영역(403)의 경계를 정하는 부분(407)을 갖고 있다. 그러나, N+ 고도핑 가드링 대신에, 게이트 산화막 가드링(455)이 이들 영역(403,405) 사이에 형성되어 있다. 얇은 산화막(461) 위의 한층의 폴리실리콘게이트(453)가 내부 영역(405)과 외부 영역(403) 사이의 STI 영역 위에 형성된다. 폴리실리콘 층은 실리사이드화되어 접지에 연결된다. 게이트 전압이 0 볼트이고 웰 전압이 동작중에 정극성일 때 N-웰 내의 실리콘 계면이 반전(inverted)된다는 것을 주목하자. 공핍 영역은 고품질 게이트-산화막 영역 상에서 종단된다. 이 게이트-산화막 영역은 양호한 MOSFET 동작을 충족시키기 위한 고품질을 갖는다.4a and 4b show a first and second embodiment of a photodiode according to the invention. The guard ring of the embodiment of Fig. 4A is almost similar to the guard ring of the embodiment described above. The embodiment of FIG. 4B has a portion 407 that delimits the inner region 405 and the outer region 403. However, instead of the N + highly doped guard ring, a gate oxide film guard ring 455 is formed between these regions 403 and 405. One layer of polysilicon gate 453 on the thin oxide film 461 is formed over the STI region between the inner region 405 and the outer region 403. The polysilicon layer is silicided and connected to ground. Note that the silicon interface in the N-well is inverted when the gate voltage is zero volts and the well voltage is positive during operation. The depletion region terminates on the high quality gate-oxide region. This gate-oxide region has high quality to satisfy good MOSFET operation.
도5a는 금속 콘택(560)을 구비한 본 발명에 따른 포토다이오드의 일실시예의 단면도이다. N+ 가드링이 포토다이오드의 웰에 대한 저항 콘택(ohmic contact)의 역할을 하는데, 그 이유는 N+ 영역이 전도성이기 때문이다. 가드링(520) 상부의 실리사이드화된 영역(silicided region)(562)도 역시 전도성이며, 통상적으로 포토다이오드를 바이어스시키는 금속 콘택(560)에 연결된다. 이 금속 콘택(560)은 도6에 도시된 픽셀 노드(618)에 연결된다.5A is a cross-sectional view of one embodiment of a photodiode according to the present invention with a metal contact 560. N + guard rings serve as ohmic contacts to the wells of the photodiode because the N + region is conductive. The silicided region 562 over the guard ring 520 is also conductive and is typically connected to a metal contact 560 which biases the photodiode. This metal contact 560 is connected to the pixel node 618 shown in FIG.
도5b는 도5a에 도시된 본 발명에 따른 CMOS 포토다이오드의 예시적인 레이아웃을 도시하고 있다. 가드링(520)은 포토다이오드의 내부 감광부(503)을 둘러싸고 있다. N-웰은 점선(512)에 의해 경계가 정해진 부분을 포함한다. 금속 콘택(560)은 본 발명에 따른 포토다이오드를 바이어스시키기 위해 N+ 가드링(520)에 접촉된다.FIG. 5B shows an exemplary layout of a CMOS photodiode according to the present invention shown in FIG. 5A. The guard ring 520 surrounds the inner photosensitive portion 503 of the photodiode. The N-well includes a portion delimited by a dotted line 512. Metal contact 560 contacts N + guard ring 520 to bias the photodiode according to the present invention.
도6은 본 발명에 따른 포토다이오드의 일실시예를 포함하는 액티브 픽셀 센서 셀 회로를 구비한, 디지털 카메라 또는 비디오 장치와 같은 촬상 시스템(603) 의 가능한 구현예를 도시하고 있다. 액티브 픽셀 센서 셀은 CMOS 액티브 픽셀 센서 어레이(605)에 포함될 수 있다. 촬상 시스템(603)은 또한, 어레이(605)에 연결된 제어 장치(607)와 상기 어레이 및 제어 장치(607) 모두에 연결된 포스트 처리장치(post processing device)(609)를 포함할 수 있다.Figure 6 shows a possible implementation of an imaging system 603, such as a digital camera or video device, with an active pixel sensor cell circuit comprising one embodiment of a photodiode according to the present invention. The active pixel sensor cell may be included in the CMOS active pixel sensor array 605. Imaging system 603 may also include a control device 607 connected to array 605 and a post processing device 609 connected to both the array and control device 607.
액티브 픽셀 센서 셀(600)은 리셋 트랜지스터(614)와 소스 폴로워 장치(source follower device)(616)를 포함한다. 리셋 트랜지스터(614)는 픽셀 노드(618)를 소정의 전압으로 선택적으로 리셋시킨다. 독출 신호가 로우(row) 스위치 트랜지지스터(622)로 표명되면, 소스 폴로워(616)는 픽셀 노드(618)에서의 전압과 관련된 전압을 이미지 포착 시스템(도시 안됨)에 제공한다. 입사광은 픽셀 노드(618)의 전압을 다이오드의 공핍 영역에서 생성되는 전자의 집합에 의해 강하되도록 한다. 전술한 가드링을 포함하는 본 발명에 따른 포토다이오드(602)는 암전류의 부정적인 효과를 최소화하며, 그 이유는 전술한 가드링에 의해 암전류가 상당히 감소되기 때문이다.The active pixel sensor cell 600 includes a reset transistor 614 and a source follower device 616. The reset transistor 614 selectively resets the pixel node 618 to a predetermined voltage. When the read signal is asserted as a row switch transistor 622, the source follower 616 provides a voltage associated with the voltage at pixel node 618 to the image capture system (not shown). Incident light causes the voltage at pixel node 618 to drop by the set of electrons generated in the depletion region of the diode. The photodiode 602 according to the present invention comprising the guard ring described above minimizes the negative effects of the dark current because the dark current is significantly reduced by the guard ring described above.
전술한 설명에서, 본 발명은 그 특정 실시예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 명백하다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적 의미가 아니라 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 그러므로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.In the foregoing description, the invention has been described with reference to specific embodiments thereof. However, it will be apparent that various modifications and changes can be made without departing from the broad spirit and scope of the invention as set forth in the appended claims. Accordingly, the specification and drawings are to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense. Therefore, the scope of the present invention should be limited only by the appended claims.
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